Determining the fatty acid compositions of human brown and white adipose tissues in vivo using clinical proton magnetic resonance spectroscopy
Koskensalo, Kalle (2021-03-18)
Determining the fatty acid compositions of human brown and white adipose tissues in vivo using clinical proton magnetic resonance spectroscopy
(18.03.2021)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103187760
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103187760
Tiivistelmä
Brown adipose tissue (BAT) of adult humans is metabolically active tissue which has been shown to have health-benefiting effects, such as preventing from type 2 diabetes and obesity. To develop BAT based treatment methods for obesity or diabetes the metabolism of the BAT tissue has to be well-known. Proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) is a radiation-free method for studying adipose tissue of living subjects. The method has mostly been used for assessing the fat fraction of the tissue but it also provides values for the fatty acid properties, namely, fractions of saturated (SFA), monounsaturated (MUFA) and polyunsaturated fatty acids (PUFA) as well as their carbon chain length. So far these properties of BAT have not been studied in living human subjects.
The subject of this thesis was to first develop a protocol for fatty acid composition measurement and validating it using lipid samples. Next, the protocol was used for determining fatty acid composition of human BAT and white adipose tissue (WAT) in both ambient condition and cold acclimation.
The validation study supported the application of the method for human subjects although the determination of one of the parameters, fatty acid chain length, seemed imprecise. The rest of the parameters correlated well with the real values.
The human study results indicated that human BAT and WAT have only negligible difference in the fatty acid composition between each other in the ambient condition although BAT has lower fat fraction than WAT. Cold exposure however seemed to change the fatty acid characteristics differently in BAT and WAT. In BAT the fractions of SFA and PUFA decreased in cold exposure while the fraction of MUFA increased. In WAT a decrease of PUFA was detected but the other parameters remained unchanged. The cold exposure did not have an effect on the fat fraction of the tissues. Additionally chain length elongation was observed in BAT although the determined chain length values were considerably shorter than in literature.
In conclusion, a cold exposure induced change in fatty acid characteristics can be detected even though no change in fat fraction is detected. Thus determining fatty acid characteristics might be a sensitive method for detecting activation of BAT. Ihmisen ruskean ja valkean rasvakudoksen rasvahappokoostumuksen määrittäminen in vivo kliinisellä protonimagneettispektroskopialla
Aikuisten ihmisten ruskea rasva on aineenvaihdunnallisesti aktiivista kudosta, jolla on todettu olevan terveyden kannalta hyödyllisiä vaikutuksia, sillä se suojaa muun muassa tyypin 2 diabetekselta ja lihavuudelta. Ruskean rasvan aktivoitumiseen perustuvien lihavuuden ja diabeteksen hoitomenetelmien kehittäminen edellyttää kudoksen aineenvaihdunnan hyvää tuntemusta. Protonimagneettispektroskopia on ionisoivaa säteilyä käyttämätön menetelmä, jota voidaan käyttää elävien kohteiden rasvakudoksen tutkimiseen. Metodia on käytetty kudosten rasvapitoisuuden määrittämiseen, mutta sillä voidaan määrittää myös rasvahappojen ominaisuudet, kuten tyydyttyneiden, kertatyydyttymättömien ja monityydyttymättömien rasvahappojen osuudet sekä rasvahappojen hiiliketjun pituus. Tähän mennessä menetelmällä ei ole tutkittu elävien ihmisten ruskeaa rasvaa.
Tämän tutkielman aiheena oli ensin kehittää rasvahappokoostumuksen mittausprotokolla ja validoida se käyttämällä rasvanäytteitä. Seuraavaksi protokollaa käytettiin ihmisen ruskean ja valkean rasvan koostumuksen mittaamisen huoneenlämpötilassa ja kylmäaltistuksessa.
Validaatiotutkimus osoitti, että menetelmää voidaan soveltaa ihmiskohteisiin vaikka yhden muuttujan, rasvahappojen ketjun pituuden, määritys vaikutti epätarkalta. Muut muuttujat korreloivat hyvin todellisten arvojen kanssa.
Ihmiskoe osoitti, että ihmisen ruskea ja valkea rasvakudos eroavat rasvahappojen ominaisuuksien osalta häviävässä määrin toisistaan huoneenlämpötilassa, vaikka ruskea rasva on vähemmän rasvapitoista kuin valkea. Kylmäaltistus näytti sen sijaan muuttavan arvoja eri tavalla ruskeassa ja valkeassa rasvassa. Ruskeassa rasvassa tyydyttymättömien ja monityydyttyneiden rasvahappojen osuus väheni kylmäaltistuksessa kun taas kertatyydyttymättömien osuus kasvoi. Myös valkeassa rasvassa havaittiin monityydyttymättömien osuuden väheneminen, mutta muissa parametreissa ei havaittu muutoksia. Kylmäaltistuksella ei ollut vaikutusta kudosten kokonaisrasvapitoisuuteen. Lisäksi ketjun pituuden kasvu havaittiin ruskeassa rasvassa, vaikka määritetyt ketjunpituusarvot olivat huomattavasti lyhempiä kuin kirjallisuudessa raportoidut.
Yhteenvetona voidaan todeta, että kylmäaltistuksen aikaansaamat muutokset ruskean rasvan rasvahappojen ominaisuuksissa voidaan havaita, vaikka rasvapitoisuuden muutosta ei havaita. Näin ollen rasvahappojen ominaisuuksien määritys saattaisi olla herkkä menetelmä ruskean rasvan aktivaation havaitsemiseen.
The subject of this thesis was to first develop a protocol for fatty acid composition measurement and validating it using lipid samples. Next, the protocol was used for determining fatty acid composition of human BAT and white adipose tissue (WAT) in both ambient condition and cold acclimation.
The validation study supported the application of the method for human subjects although the determination of one of the parameters, fatty acid chain length, seemed imprecise. The rest of the parameters correlated well with the real values.
The human study results indicated that human BAT and WAT have only negligible difference in the fatty acid composition between each other in the ambient condition although BAT has lower fat fraction than WAT. Cold exposure however seemed to change the fatty acid characteristics differently in BAT and WAT. In BAT the fractions of SFA and PUFA decreased in cold exposure while the fraction of MUFA increased. In WAT a decrease of PUFA was detected but the other parameters remained unchanged. The cold exposure did not have an effect on the fat fraction of the tissues. Additionally chain length elongation was observed in BAT although the determined chain length values were considerably shorter than in literature.
In conclusion, a cold exposure induced change in fatty acid characteristics can be detected even though no change in fat fraction is detected. Thus determining fatty acid characteristics might be a sensitive method for detecting activation of BAT.
Aikuisten ihmisten ruskea rasva on aineenvaihdunnallisesti aktiivista kudosta, jolla on todettu olevan terveyden kannalta hyödyllisiä vaikutuksia, sillä se suojaa muun muassa tyypin 2 diabetekselta ja lihavuudelta. Ruskean rasvan aktivoitumiseen perustuvien lihavuuden ja diabeteksen hoitomenetelmien kehittäminen edellyttää kudoksen aineenvaihdunnan hyvää tuntemusta. Protonimagneettispektroskopia on ionisoivaa säteilyä käyttämätön menetelmä, jota voidaan käyttää elävien kohteiden rasvakudoksen tutkimiseen. Metodia on käytetty kudosten rasvapitoisuuden määrittämiseen, mutta sillä voidaan määrittää myös rasvahappojen ominaisuudet, kuten tyydyttyneiden, kertatyydyttymättömien ja monityydyttymättömien rasvahappojen osuudet sekä rasvahappojen hiiliketjun pituus. Tähän mennessä menetelmällä ei ole tutkittu elävien ihmisten ruskeaa rasvaa.
Tämän tutkielman aiheena oli ensin kehittää rasvahappokoostumuksen mittausprotokolla ja validoida se käyttämällä rasvanäytteitä. Seuraavaksi protokollaa käytettiin ihmisen ruskean ja valkean rasvan koostumuksen mittaamisen huoneenlämpötilassa ja kylmäaltistuksessa.
Validaatiotutkimus osoitti, että menetelmää voidaan soveltaa ihmiskohteisiin vaikka yhden muuttujan, rasvahappojen ketjun pituuden, määritys vaikutti epätarkalta. Muut muuttujat korreloivat hyvin todellisten arvojen kanssa.
Ihmiskoe osoitti, että ihmisen ruskea ja valkea rasvakudos eroavat rasvahappojen ominaisuuksien osalta häviävässä määrin toisistaan huoneenlämpötilassa, vaikka ruskea rasva on vähemmän rasvapitoista kuin valkea. Kylmäaltistus näytti sen sijaan muuttavan arvoja eri tavalla ruskeassa ja valkeassa rasvassa. Ruskeassa rasvassa tyydyttymättömien ja monityydyttyneiden rasvahappojen osuus väheni kylmäaltistuksessa kun taas kertatyydyttymättömien osuus kasvoi. Myös valkeassa rasvassa havaittiin monityydyttymättömien osuuden väheneminen, mutta muissa parametreissa ei havaittu muutoksia. Kylmäaltistuksella ei ollut vaikutusta kudosten kokonaisrasvapitoisuuteen. Lisäksi ketjun pituuden kasvu havaittiin ruskeassa rasvassa, vaikka määritetyt ketjunpituusarvot olivat huomattavasti lyhempiä kuin kirjallisuudessa raportoidut.
Yhteenvetona voidaan todeta, että kylmäaltistuksen aikaansaamat muutokset ruskean rasvan rasvahappojen ominaisuuksissa voidaan havaita, vaikka rasvapitoisuuden muutosta ei havaita. Näin ollen rasvahappojen ominaisuuksien määritys saattaisi olla herkkä menetelmä ruskean rasvan aktivaation havaitsemiseen.